Unterrichtsentwurf Fahrradbremse - Klima-Tour

Integration der VE in die Physik der Sek.I am Beispiel der Fahrradbremse
aus: von Wilhelm Ewert, erschienen in der Zeitschrift für Verkehrserziehung 2/2000, Hrsg. Heinrich Vogel Verlag)
Nach einer „klassischen“ Einführung in das Thema „Hebel“ kann man
beinahe beliebig viele Beispiele aus dem täglichen Leben genauer
untersuchen. Ob es die Schubkarre, der Nussknacker oder die Zange ist,
mit keiner Anwendung hatte ich bis jetzt so viel Erfolg wie mit dem
Thema „Fahrradbremse“, welches ich bisher zweimal ausprobiert habe.
Um gleich allen Kritiken vorzubeugen, auch bei diesem Thema fühlten sich
nicht alle Schüler/innen angesprochen, aber der Anteil derer, die aktiv
zum Unterrichtsgeschehen beitrugen, war ungleich höher. Neben der
Tatsache, dass die Fahrradfreaks mich geradezu mit Material (Auszüge
aus Fahrradzeitschriften mit Bremsentest; Informationen zum Thema aus
dem Internet; Prospektmaterial) bombardierten, freute ich mich
besonders darüber, dass mehr Mädchen als sonst rege beteiligt waren.
Die erste Hausaufgabe bestand darin, die Bremse des eigenen Fahrrades
zu zeichnen. Dabei musste klargestellt werden, dass zwar der
Handbremshebel auch ein Hebel ist, aber diesem nicht unser Augenmerk
galt, d.h. also nicht dieser zu zeichnen war. Die Schülerzeichnungen waren
nun ganz unterschiedlich, vom künstlerisch sicher Wertvollen aber
physikalisch Unbrauchbaren bis zu tadellosen Skizzen war alles vorhanden.
Die bei den Schülern auch vorhandenen Naben- oder Trommelbremsen,
sowie die Scheibenbremsen wurden bei der Betrachtung ausgeklammert.
Mittels zweier Folien mit Bildern von Bremsen (siehe Abb. 1 und 2)
wurden die Felgenbremsen in die zwei Kategorien Seitenzug- und
Mittelzugbremse eingeteilt. Als Sonderform wurden zunächst die V-Brakes
zurückgestellt.
Am Beispiel der Seitenzugbremse 1 (siehe Folienvorlage) wurde nun
zuerst ein Beschreibung vorgenommen. Schließlich wurde eine Reihe von
Fragen geklärt:
Wie funktioniert die Bremse? Wo ist der Befestigungsbolzen, d.h. hier
zugleich die Drehachse? Wo greifen Kräfte an und in welche Richtung
wirken sie? Wo sind die Kraftarme? In der Folie wurden die
Bezeichnungen Bowdenzugkraft und Anpresskraft, sowie Bremshebelarm
und Bremsschenkellänge eingetragen (siehe Abb. 3). Handelt es sich um
einen einseitigen oder zweiseitigen Hebel? Welche Drehmomente sind
linksdrehend, welche rechtsdrehend? Wann herrscht Gleichgewicht an der
Bremse? Es erwies sich hierbei als sehr hilfreich, dass vorher
Betrachtungen an der Momentenscheibe durchgeführt worden waren, da
man so die merkwürdig anmutenden Hebel als „Ausschnitt“ der Scheibe
ansehen kann. Auch die Tatsache, dass Kraft und Hebel nicht immer
senkrecht aufeinander stehen müssen, bereitet dann keine Schwierigkeit mehr. Günstig war es auch, dass
für diese erste Erarbeitung ein Rad mit einer solchen Bremse zum
Nachschauen bereitstand.
All diese Fragen, deren Beantwortung bei der ersten Bremse noch sehr
schwierig war, tauchten bei der zweiten Seitenzugbremse (siehe
Folienvorlage) wieder auf und fielen dann schon etwas leichter. Spätestens
hier merkt der Unterrichtende, dass er sich im Vorfeld schon etwas
informiert haben muss, denn als Laie auf dem Fahrradsektor kennt man
diese Bremsenform in der Regel nicht. Was hat sich bei dieser Bremse
gegenüber der ersten verändert? Dabei braucht man hier zur
Vereinfachung immer noch nicht zwischen Befestigungsbolzen und
Drehbolzen zu unterscheiden, wenn dies nicht von Schülerseite gefordert
wird. Dass es nötig ist zeigt Abb. 4.
Es wurde erarbeitet, dass bei vorgegebener Bowdenzugkraft die
Anpresskraft dann am größten ist, wenn der Bremshebelarm möglichst
groß und der Bremsschenkelarm möglichst klein ist. Bei oberflächlicher
Abb. 1
Abb. 2
Abb. 3
Abb. 4
Betrachtung erscheint also die Seitenzugbremse 2 besser, da die Anpresskraft größer ist. Wo aber liegt der
entscheidende Nachteil? Die größer gewordene Kraft wird durch einen größeren Weg „erkauft“. Dieser ist
aber nicht beliebig verlängerbar, da der Handbremshebel nur einen bestimmten Weg zulässt. Bei
Rennrädern kann die Bremsschenkellänge schon deswegen klein sein, weil die Reifenhöhe gering ist. Diese
Bauform kann etwa bei straßentauglichen Rädern auch wegen der Schutzbleche nicht gewählt werden.
Seitenzugbremsen mit großer Bremsschenkellänge neigen zum „Rubbeln“ und haben den Nachteil, dass sie

sich nicht selbstständig zentrieren. Trotzdem wird diese einfache Bremse insbesondere in Kinderrädern in
der Regel eingebaut, da sie sehr billig ist.
Bereits sehr früh kam in beiden Unterrichtsdurchgängen der Hinweis von den Schülern, dass die
Bremswirkung sehr stark von der Art bzw. Wahl der Bremsbeläge und der Felgen abhängig sei. Nun gehört
die Beantwortung dieser Frage zwar nicht zu diesem Thema, bringt aber ganz zwanglos den
verkehrserzieherischen Aspekt ins Blickfeld. Der Reibbeiwert nimmt einen Wert zwischen nahezu 0 (bei
extremer Nässe) und 0,85 (bei Trockenheit) an (siehe 1) Seite 122). Die Firma Magura, die wie die Firma
Shimano, mich freundlicherweise mit Informationsmaterial versorgte, hat auf dem Fahrradbremsenprüfstand
Vergleichsmessungen nach DIN 79100 durchgeführt. Dabei ergaben sich für einen bestimmten Bremsbelag
mittlere Bremsverzögerungen in Abhängigkeit von der Felge zwischen 2,98 und 6,7 m bei nassen
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Verhältnissen. Bei Trockenheit schwankten die Werte zwischen 7,06 und 9,83 m . Dabei zeigt die Felge mit
2
s
den schlechtesten Werten bei Nässe das beste Ergebnis bei Trockenheit. Für einen anderen Bremsbelag
konnten maximale Bremsverzögerungen von 7,49 m bei Nässe und 8,12 m bei Trockenheit erzielt werden.
2
2
s
s
Beim Kauf neuer Bremsklötze sollte man darauf achten, dass es solche für Stahl- und für Leichtmetallfelgen
gibt. Am Rande sei erwähnt, dass ein größerer Belag zwar weniger Verschleiß nicht aber eine bessere
Verzögerung bringt. Im Rahmen eines längerfristigen Projekts könnte man einmal das Studium dieser Norm
79100 betreiben und die Durchführung einiger darin enthaltener Vorschriften, die jedes Physikerherz höher
schlagen lässt, in der Praxis versuchen.
Die Mittelzugbremse (siehe Folienvorlage) in dieser Form wurde von keinem Schüler gezeichnet, was nicht
weiter wundert, da ihre Blütezeit schon einige Jahre vorbei ist. Der Vorteil der Mittelzugbremse besteht in
ihrem symmetrischen Aufbau und ist somit konstruktionsbedingt immer richtig zentriert. Wie in den ersten
Fällen wurden für diese und die weiter folgenden Bauarten wieder die obigen Fragen beantwortet. Hier muss
man nun zwischen dem oben liegenden Befestigungsbolzen und den zwei tieferliegenden Drehbolzen
unterscheiden. Diese Unterscheidung ist bei der Cantilever-Bremse nicht mehr nötig. Auf dem Rahmen sind
die Bremssockel angelötet. Die „Cantis“, wie sie die Fans schon beinahe liebevoll nennen, waren vor Jahren
der Geheimtipp unter den Freaks und haben sich wegen ihrer unübersehbaren Vorteile in der Bauform 2
durchgesetzt. Da sie auch noch bei extremer Verschmutzung arbeiten und ihre Bauform auch breite und
hohe Reifen leicht zulässt, fanden sie zuerst bei Crossrädern und Mountain Bikes Verwendung. Sie werden
heute aber auch bei Reiserädern eingesetzt. Sie bestehen aus nur wenigen Einzelteilen und haben somit
auch den Vorteil des geringen Gewichts. Die erste Bauform hat sich wegen der großen Breite nicht dauerhaft
durchsetzen können, wurde aber aus physikalischem Grund (einseitiger, zweiseitiger Hebel) mitbetrachtet.
Besonders an der Cantilever-Bremse 2 kann man nun auch die folgenden Fragen gut erörtern: Was
verändert sich, wenn man das Bremskabel, also das Stück Bowdenzug, welches von dem Ende des einen
Bremshebels über das Gelenkstück zu dem anderen Bremshebelende geht, verlängert? Was verändert sich,
wenn man nur die beiden Bremshebel verlängert, ohne dieses Bremskabel zu verlängern? Wieso ist es nötig,
dieses Bremskabel in dem Gelenkstück gut einzufetten. Es gibt Varianten, in denen das Gelenkstück durch
eine Rolle ersetzt ist. Wie könnte man die Anpresskraft erhöhen? Muss in jedem Fall zwischen Arm und Seil
beim Bremsen ein rechter Winkel sein? Wo muss der rechte Winkel sein?
An welcher Stelle man auf die sicher auftauchende Schülerfrage eingeht, wie man die Bremse denn nun
richtig einzustellen habe, spielt eigentlich keine Rolle. Mir erscheint es sinnvoll, bei diesem Bremsentyp
darauf näher einzugehen, da er z. Zt. die meiste Verbreitung besitzt. Die beiden Abstände zwischen den
Bremsbelägen und der Felge sollten zusammen etwa 3-4mm betragen. Die Bremsbeläge sollten beim
Bremsen möglichst gut an der Felge anliegen, d.h. nicht zu hoch oder tief und insbesondere nicht schief
sitzen. In dem Zusammenhang kann man auch gleich auf andere Sicherheitsrisiken aufmerksam machen,
wie etwa die Abnutzung der Beläge, gesplissene Bremsseile, Verlegung der Bowdenzüge. Jeder möge nun
für sich selbst entscheiden, inwieweit er auf die Schülerfrage, warum denn manchmal die Bremsen so
quietschen und wie Abhilfe zu schaffen sei, eingeht oder als nicht zum
Thema gehörig ablehnt. Lösungsvorschläge dazu findet man in der Literatur
( siehe 2) S.63) oder im Internet etwa unter der Adresse http://www.tnt.unihannover.de/subj/other/cycling/faq.txt
.
Eigentlich nur ein anderes Cantilever-Design stellt die z.Zt. modernste Form
der Bremse die V-brake dar. Diese neue Cantilever-Generation besticht durch
sehr hohe Bremskräfte und eine gute Dosierbarkeit, neigt allerdings eher zu
dem bereits angesprochenen Quietschen.
An dieser Stelle kann man die Behandlung des Themas abbrechen oder man
lässt sich von der Begeisterung einiger noch ein wenig weitertreiben. Worin
besteht der Sinn eines sogenannten Brake Boosters (siehe Abb. 5)? Die
großen Kräfte die beim Bremsen auftreten bewirken eine Verwindung der
Anlötsockel, was zu einem Verwischen des exakten Druckpunkts der Bremse
führt. Der Booster fixiert die beiden Punkte zueinander und eliminiert somit
den Effekt.
Abb.5
In Fachzeitschriften für Fahrradfahrer tauchen Diagramme auf, die den

Zusammenhang zwischen Handkraft und Bremskraft zeigen. In welchem Zusammenhang stehen diese
Grafiken zu unseren bisherigen Überlegungen? Wie hat man diese Diagramme zu „lesen“? Bisher wurde ja
nur ein Teilaspekt der an der Bremse wirkenden Kräfte betrachtet. Wie wirkt sich die Bowdenzugkraft auf die
Anpresskraft aus? Da der Bremsgriff ein Winkelhebel ist, vergrößert er die Handkraft zur Bowdenzugkraft. An
welcher Stelle und in welcher Richtung die Betätigungskraft am Handbremshebel zu wirken hat, beschreibt
die DIN 79100 exakt. Darauf wurde aber, um einer notwendigen Vereinfachung willen, nicht eingegangen.
Der Wirkungsgrad der Bremsanlage wird im Wesentlichen durch den Reibungsverlust in den Bowdenzügen
bestimmt, weshalb diese in regelmäßigen Abständen geölt werden müssen. Teflongefütterte Züge
minimieren diese Verluste und die Firma Magura hat gar die Züge durch Hydraulik-Schlauchleitungen ersetzt.
Die so entstehende Anpresskraft erzeugt eine senkrecht zu ihr stehende, tangentiale Kraft zur Felge, die
Bremskraft. Den Zusammenhang zwischen Anpresskraft und Bremskraft regelt der bereits angesprochene
Reibbeiwert.
Handkraft Handbremshebel
Bowdenzugkraft
„Ende“
Betrachtete
Bremstypen
Anpresskraft
Bowdenzugkraft
„Anfang“
Mit diesem Wissen kann man nun Diagramm 1 betrachten bzw. interpretieren. Unterschiedliche
Fragestellungen wurden behandelt: Welcher Verlauf erscheint dir der Beste zu sein? Gibt es einen idealen
Graphen? Was bedeutet eine größere Steigung? Zentrale Schüleraussagen wurden notiert: Je steiler eine
Gerade verläuft, desto „giftiger“ spricht die Bremse an.
Zum Abschluss der Unterrichtseinheit gab es noch einen kleinen
Ausflug in die Vergangenheit mit der Betrachtung der Klotzbremse
(sieh Abb.6), die übrigens noch in der DIN 79100 im Jahr 1984
auftaucht. Die Physik rund um die Bremse war jedenfalls zu der
Zeit noch deutlich einfacher.
Neben der Hoffnung, dass die Schüler etwas dazugelernt haben,
steht die Gewissheit, dass ich Neues erfahren habe. Ich wusste
vorher weder was ein Brake Booster ist, noch hatte ich eine
Ahnung davon, dass ein starr sitzender Biker bei einer Verzögerung
von ca. 5 m nach vorne über den Lenker fliegt. Dies kann durch
2
s
Verlagerung des Körpergewichts bis zu einem Wert von 8 m
2
s
verhindert werden. Es war mir nicht bekannt, dass die DIN 79100
vorschreibt, dass der rechte Bremshebel zwingend die
Vorderradbremse zu betätigen hat oder dass die Bezeichnung
Cantilever einfach aus dem Englischen kommt und einen Hinweis
auf die Trägerkonstruktion gibt.
Vieles wusste ich nicht, nur in einem war ich mir schon vorher
sicher. „Kenntnisse aus der Fahrzeugtechnik fördern sach- und
situationsgerechtes Verhalten...“(siehe 4) S.108), meint Dieter
Strecker. Insofern handelt es sich bei diesem Lehrgang um
Verkehrserziehung unter dem Deckmäntelchen der Physik.
Reibungsverluste
Anpresskraft
Unsere Betrachtungen
1) Gressmann, Michael, Fahrradphysik und Biomechanik, 5. Auflage, Moby Dick Verlag, Kiel 1993
2) Herzog, Ulrich, Fahrrad für Kenner, Moby Dick Verlag, Kiel 1993
3) Leufen, J., Möller, E., Das Fahrrad, 3. Auflage, Moby Dick Verlag, Kiel 1987
4) Strecker, Dieter, Didaktik der Verkehrserziehung, Quelle und Meyer, Heidelberg 1979
Bildnachweis: Abb. 3: Shimano Abb. 5: Magura Alle anderen Abb.: Ewert
Bowdenzugkraft
„Ende“
Reibbeiwert Bremskraft
Abb.6